Contributions to Communication and Networking for the Internet of Things Environments

Debido a las ventajas del IoT, las aplicaciones de IoT se han utilizado y desarrollado ampliamente en los últimos años. El IoT será la nueva revolución de Internet. Las aplicaciones de IoT se han utilizado ampliamente en el monitoreo forestal, la gestión de desastres, la domótica, la automatización de fábricas, la ciudad inteligente, etc. Para las aplicaciones de IoT, uno de los problemas importantes es la eficiencia de la transmisión de datos, que es importante para la calidad de los servicios (QoS). La eficiencia de la transmisión de datos incluye la fiabilidad, el consumo de energía, el retardo de transmisión, etc. de la red. Para capa diferente, existen diferentes enfoques para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos. En esta tesis, nos enfocamos principalmente en la capa de red. En la capa de red, para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos, es necesario diseñar el algoritmo de enrutamiento con cuidado. Hay dos tecnologías de enrutamiento diferentes: el enrutamiento determinista y el enrutamiento oportunista. Durante la transmisión de datos, el enrutamiento determinístico elige uno de sus nodos vecinos como nodo de retransmisión del próximo salto; sin embargo, en el enrutamiento oportunista, el emisor elige un conjunto de vecinos como nodos de relevo del siguiente salto para mejorar la proporción de entrega de paquetes. En esta tesis, nos centramos principalmente en el enrutamiento oportunista. Sin embargo, para el enrutamiento oportunista, incluso la relación de entrega de paquetes es alta en comparación con el enrutamiento determinista, el retardo de transmisión y la transmisión redundante son serios que en el enrutamiento determinista. Para resolver este problema, proponemos el concepto de red secundaria de retransmisión; el emisor elige los nodos de relevo del siguiente salto en función de la red de retransmisión secundaria. Este enfoque puede reducir en gran medida el retardo de transmisión y la transmisión redundante sin reducir la proporción de entrega de paquetes del enrutamiento oportunista. Durante la transmisión de datos en el conjunto de relés candidatos, los nodos en el conjunto de relés candidatos deben configurarse con prioridades de retransmisión. Para mejorar la equidad al determinar las prioridades de retransmisión de los nodos de retransmisión, proponemos un algoritmo de determinación de prioridad de retransmisión basado en lógica difusa. Este algoritmo puede tomar tantas medidas de rendimiento en cuenta durante la determinación de prioridad de retransmisión sin aumentar la complejidad del cálculo. Además, en esta tesis, aplicamos estos dos algoritmos en el ambiente submarino y el ambiente terrestre. No solo los algoritmos de enrutamiento, el control de topología también es popular y eficaz para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos. En primer lugar, en esta tesis, investigamos la relación entre la interferencia óptima y la eficiencia energética mediante el ajuste de la potencia de transmisión del nodo. Llegamos a la conclusión de que, por la mayoría de las causas, cuando la red es la interferencia óptima mediante el ajuste de la potencia de transmisión, entonces también es eficiente en energía cerca del 100%. En segundo lugar, para reducir el costo de control, en esta tesis, proponemos dos enfoques; en el primer enfoque, los nodos se dividen en diferentes categorías en función de algunas medidas de rendimiento, como la energía residual, el grado del nodo, etc.; los nodos en diferentes categorías tienen diferentes probabilidades de ajuste de potencia de transmisión; En el segundo enfoque, introducimos el óptimo de Pareto en el control de topología para reducir el costo de control. Además, también introducimos la tecnología de control de topología en el enrutamiento oportunista para establecer la relación de entrega de paquetes. Finalmente, en esta tesis, evaluamos todos los algoritmos propuestos por simulación. Los resultados de la simulación se han mostrado en este documento. Estos resultados demuestran que el algoritmo propuesto en esta tesis es efectivo y tiene un mejor rendimiento que los trabajos anteriores. ----------ABSTRACT---------- Due to the advantages of the IoT, the applications of IoT have been widely used and development in recent years. The IoT will be the new revolution of the Internet. The IoT applications have been widely used in forest monitoring, the disaster management, the home automation, the factory automation, smart city, etc. For the IoT applications, one of the important issues is the efficiency of the data transmission, which is important to the Quality of Services (QoS). The efficiency of the data transmission includes the reliability, the energy consumption, the transmission delay, etc. of the network. For different layer, there have different approaches to improving the efficiency of the data transmission. In this thesis, we mainly focus on the network layer. In the network layer, for improving the efficiency of the data transmission is to design the routing algorithm carefully. There are two different routing technologies: the deterministic routing and the opportunistic routing. During the data transmission, the deterministic routing choose one of its neighbor node as the next hop relay node; however, in opportunistic routing, the sender chooses a set of neighbors as the next hop relay nodes to improving the packet delivery ratio. In this thesis, we mainly focus on the opportunistic routing. However, to the opportunistic routing, even the packet delivery ratio is high compare to the deterministic routing, the transmission delay and the redundant transmission are serious than that in deterministic routing. For solving this issue, we propose the concept of sub relaying network; the sender chooses the next hop relay nodes based on the sub relaying network. This approach can reduce the transmission delay and redundant transmission greatly without reducing the packet delivery ratio of the opportunistic routing. During the data relaying in the candidate relay set, the nodes in the candidate relay set should be set with relaying priorities. For improving the fairness when determining the relaying priorities of the relay nodes, we propose a fuzzy logic based relaying priority determining algorithm. This algorithm can take as many as performance metrics into account during the relay priority determining without increasing the computation complexity. Moreover, in this thesis, we applied these two algorithms into the underwater environment and terrestrial environment. Not only the routing algorithms, the topology control is also popular and effective on improve the efficiency of data transmission. Firstly, in this thesis, we investigate the relationship between interference optimal and energy efficient by adjusting the transmission power of node. We concluded that for most cause, when the network is interference optimal by adjusting the transmission power, then it is also energy efficient near 100%. Secondly, for reducing the control cost, in this thesis, we propose two approaches; in the first approach, the nodes are divided into different categories based on some performance metrics, such as the residual energy, the node degree, etc.; the nodes in different categories have different transmission power adjust probabilities; in the second approach, we introduce the Pareto optimal into the topology control to reduce the control cost. Moreover, we also introduce the topology control technology into the opportunistic routing to stable the packet delivery ratio. Finally, in this thesis, we evaluate all the proposed algorithms by simulation. The simulation results have been shown in this paper. These results demonstrate that the proposed algorithm in this thesis are effective and have better performance than the previous works